製造火花塞電極的方法
2023-05-07 01:03:56 2
專利名稱：製造火花塞電極的方法
技術領域：
本發明涉及一種製造火花塞電極的方法。
火花塞用於內燃機以點燃燃燒室中的燃料。因此，火花塞電極經受到高熱和極端的腐蝕性氣氛。為了在某種程度上提高火花塞的壽命，中心電極和置於中心電極旁邊的側線材電極是用一種良導熱材料如銅製造的，並在其外包上一耐腐蝕材料如鎳製成的護套。
製造火花塞用的銅鎳電極可用多種方法實現。例如，發布於1974年4月16日、題目為「生產火花塞中心電極的方法」的美國專利3803892中描述了一種用兩種材料的扁平板壓制銅鎳電極的方法。發布於1941年11月4日、題目為「火花塞及其製造方法」的美國專利2261436中，敘述了如何將銅和鎳冷鍛(擠)成單根長線材，然後再切割成較短長度以用作火花塞中的電極。發布於1970年12月22日、題目為「火花塞及製造火花塞中心電極的方法」的美國專利3548472，敘述了一種方法，該法通過幾步工序用冷成型工藝製成一外部鎳制的杯形護套，然後將一銅線材插到杯形套中，再將此兩種材料緊壓在一起。
發布於1974年12月31日，題目為「生產火花塞中心電極的方法」的美國專利3857145，公開了一種工藝，該工藝將一銅芯材插入一鎳件中，用一箍狀部分使兩者緊密相連以確保形成一電流通道。
用上述公開的諸方法生產的火花塞電極，用於在實施美國1977年的乾淨空氣法規之前製造的車輛上，是令人滿意的。在1977年後，由於發動機和燃料的改變，大多數車輛的工作溫度提高了。發動機和燃料改變的結果，使發動機中的一些運轉部件經受到排氣的腐蝕作用。例如，在無分配器點火系統中是每隔一個火花塞反向點燃的。這樣，中心和側線材電極都發生電極端腐蝕，腐蝕取決於要求火花塞正向點燃還是反向點燃。如果火花塞是正向點燃，則中心電極的腐蝕顯著;如果火花塞是反向點燃，則側線材電極上的腐蝕顯著。如此，即使火花塞的鎳中心線材和側線材電極能耐受大多數氧化物，在工作於燃燒溫度和暴露於燃燒和循環氣體一段時間後，也會發生腐蝕和燒蝕。一旦發生了腐蝕和燒蝕，電流通道受損壞，就造成燃燒效率的降低。
美國專利4705486公開了製造電極的幾種方法，其中一鉑圓盤被焊到一鉻鎳合金中心線材的端部上。此後，將中心線材置於一模子中擠壓成最終所需的長度，使鉑蓋住焊接處以便在用於火花塞正常操作中時防止中心線材與鉑圓盤之間的電流通路受損壞。
在致力於降低電極的製造成本中，美國專利4725254公開了一種製造方法，此法將一帶有一銅芯的鉻鎳鐵合金中心線材擠壓成所需的長度。將一鉑帶材軋制到一所需的厚度，再衝製成圓盤。該圓盤呈一帶周邊突緣的杯狀。圓盤和中心線材被置於一夾具中並彼此相向移動，使圓盤包圍住線材端部。當電流從鉻鎳鐵合金中心線材的端部流到鉑圓盤時，就產生一電弧，從而導致熱能的產生。電流持續到熱能足以熔化在線材端部與圓盤之間連接處的鉻鎳鐵合金。此後，電流就中止。保持在圓盤上的壓力使鉻鎳鐵合金端部與端帽熔融在一起，從而形成一冶金接合或結頭而完成電極的製造。
製造一帶有一鉑帽的中心電極的方法是令人滿意的，並滿足車輛的現行操作要求。可惜，鉑的成本導致帽成本等同或大於火花塞中的其它零件。
在致力於降低電極用鉑的成本中，產生了一種方法，此法用一在鉻鎳鐵合金件與鉑球之間的冶金接頭將該鉑球夾持住，而不是象與此同時申請的共同待批美國專利600-87-010中公開的那樣靠一用突起部撐圍方法形成的環形突起部夾持的。
在本發明中，中心線材電極的突起部的軸向中心和側線材電極表面的中心是做上標記的。鉑球置於一夾具中，而中心線材的軸(向)中心位於鉑球上方。在中心線材和鉑球上同時加上壓力和電流。當電流通過中心線材與鉑球間時，在軸(向)中心和鉑球的連接處產生了熱能。熱能使中心線材的材料(鉻鎳鐵合金)熔融，並靠重力流在球的四周。當鉻鎳鐵合金復蓋了至少球的一半時，就中止所加的電流和壓力。
類似地，在側線材裝上金屬殼後，側線材的中心與鉑球對準，施加一壓力同時在側線材與球體之間通過電流。在側線材和球的連接處產生的熱能，使側線材的材料熔融並流在球的四周。當有約一半的側線材球被復蓋後，就中止所加的壓力和電流。
此後，將中心線材置於一在金屬外殼中的陶瓷件中。這樣，就確定了側線材上的鉑球與中心電極間的直線間距。當按照這種方式製造的火花塞在一車輛發動機上使用一段較長時間後，該直線間距仍保持不變。
這種製造電極的方法的優點是，鉑件的形狀能被精確地控制，可以選用最小尺寸的鉑球來保護鉻鎳鐵合金線材，使製造成本不會比傳統的火花塞顯著增加。
本發明的目的是提供一種製造火花塞的方法，該火花塞有一中心電極和一側電極並有鉑球焊接在鉻鎳鐵合金電極上，使它們之間的直線間隙不因暴露於燃燒氣體而受到影響。
本發明的另一目的是提供一種製造電極的方法，此法將一鉑球焊到一鉻鎳鐵合金電極上，再將一部分的球體整平以形成一保護表面，該表面延伸復蓋焊接處以形成一導電通路，該導電通路基本上不會受到由發動機產生的腐蝕性氣體造成的電極燒蝕的影響。
通過閱讀本說明書和附圖，這些目的及其它目的將會一目了然，附圖中
圖1是一段從鉻鎳鐵合金線材原材料切割下來的圓柱體坯料;
圖2是一視圖，表示圖1的圓柱體坯料的第一端經擠壓形成一端部，在第二端上形成一凹口;
圖3是一視圖，表示圖2的坯件凹口部經再次擠壓後被加長了;
圖4是一視圖，表示在圖3的坯件的杯狀腔中插入了一銅芯，杯狀腔是由凹口加長後形成的;
圖5是一視圖，表示將圖4的坯件擠壓到最終所需的長度而形成一中心線材;
圖6是一視圖，表示在圖5的中心線材的銅芯中央部位開出一條橫槽;
圖7是一視圖，表示沿圖6的中心線材的軸(向)中心有一凸起部分;
圖8是一表示圖7的中心線材第一端的端部的放大的剖視圖;
圖9是圖7所示的中心線材置於一夾具中的剖視圖，該線材突起部分的軸向中心位於鉑球上方;
圖10表示在圖9所示的中心線材和鉑球上加力並通電使中心線材熔融並流在鉑球上後形成在兩者之間的接頭的放大視圖;
圖11是沿圖10中「11-11」線的視圖;
圖12是中心電極的剖視圖，其中鉑球被整平後復蓋了第一端凸出部的大部分面積;
圖13是沿圖12中「13-13」線的視圖;
圖14是中心電極的剖視圖;
圖15是側電極的剖視圖，在該電極上焊有一鉑球;
圖16是表示一現有技術的火花塞的放大視圖，圖中示出了側線材電極和中心線材電極之間的關係;和圖17是一火花塞的放大視圖，圖中示出了按照本發明的火花塞的側線材電極與中心線材電極之間的關係。
製造火花塞用電極的方法已由附圖所示的各工序一一示出，其中圖1表示一段耐腐蝕金屬材料，其尺寸為0.139×2″，它是從一卷線材上切下的。最可取的金屬線材是耐腐蝕的含鎳、鉻的鐵合金，如鉻鎳鐵合金。有一種這樣的鉻鎳鐵合金，商品名稱為Hoskins合金831，它含有75%的鎳，15%的鉻和7%的鐵。
在一段鉻鎳鐵合金線材10上塗上標準冷鐓潤滑劑後，將其置於模中，這樣的潤滑劑是帶有耐極高壓添加劑，硫，氯和中性動物油脂的油。這種油常常是硫化油脂和氯添加劑的混合物，不少潤滑劑製造廠商均有供應。冷鐓中潤滑劑是減少模子磨損，促進表面光潔和防止模子粘住從而損傷、擦傷以及咬住工件所必不可少的。在冷鐓操作中，潤滑劑的硫和氯組份形成硫化鐵和氯化鐵，這些硫化鐵和氯化鐵防止模子與工件焊合，因此起到了與固體潤滑劑相同的作用。這種潤滑油的一個例子是俄亥俄州Frankin油公司生產的TUF-DRAW21334。
在線材10切割成如圖1所示的坯料並經潤滑後，將其置於第一模中，將第一端12和第二端14壓製成方形以形成平整表面，端12被擠壓形成一端部，而在端14上形成一凹口15，如圖2所示。此後，此圓柱體狀坯件10被送到第二模，再次被擠壓，形成從凹口15延伸的中心孔16，如圖3所示。如圖4所示，將一銅芯18插入孔16後，將圓柱形坯件10送到第三模，再將其擠壓成一預定長度(如圖5所示)，以製成中心線材20。中心線材20有一帶一錐形表面24和一凸緣26的臺肩22。
中心線材20從第三模卸下後被帶至一工作檯，在此工作檯是在銅芯18上形成一橫槽28以完成其加工。按照上面陳述的工序加工的中心線材20如果插到如圖16所示類型的現有技術的火花塞32的資料或陶瓷體30中。其性能足以在大多數運行條件下工作，並滿足現行汽車的壽命要求。
此中心線材20接著被送至第四模，按照本發明的公開技術進一步加工。在此模中，在第一端12的凸出部的軸向中心34上做出一標記以製造成如圖7和8所示的中心線材80。通常在軸向中心34上做的是一個表明中心位置的記號，但也可以做一個凹部。如在凸出部上做出凹部，該凹部不能超過鉑球36直徑的(25-40)%，鉑球是在另一工作檯被焊接在凸出部上的。這樣的凹部除了有助於使球36基本上對準中心線材80的軸向中心外，還有利於為電流的通過提供較大的初始表面積以形成焊接結頭。
這種中心線材80上的凹部可在如圖2-6所示的諸延伸工序中的任一工序時制在凸出部上。
在中心線材80被送到如圖9所示的工作檯之前，至少將中心線材80的第一端12上的凸出部通過一清洗臺，以除去其上的油和任何氧化物，這些東西會影響此後凸出部與鉑球36之間的焊接質量。
置於焊接工具頭部上的鉑球36的直徑為0.030英寸(0.076釐米)。鉑球36的直徑可小到0.020英寸(0.051釐米)，大到0.050英寸(0.127釐米)。然而，由於鉑的市場價格較高保護下面的鉻鎳鐵合金的鉑的數量應選擇最小的量。
位於圖9所示的工作檯的焊接機是具有現代技術水平的焊接設備，從俄亥俄州沃倫的Taylor-Winfield公司購得，其型號為EBA-11/2。
中心電極80的端部12上的凸出部分的軸向中心34位於鉑球36的上方。開關42使電流從電源40流到觸頭44，通過鉑球36進入鉻鎳鐵合金中心電極80後回到接地端。在電流通過的同時，在中心電極80上施加一壓力「F」以在軸向中心34和球36處形成一機械連接。
根據試驗，下列焊接參數被認為是令人滿意的施加於中心電極80上的壓力「F」為約9-25磅，電流為500-1500安培。
流過機械連接或接頭的電流所產生的熱能足以熔融軸向中心34附近的鉻鎳鐵合金。重力使熔融的合金流動並形成一如圖10所示的、圍在球36外的環44。當至少一半球體被鉻鎳鐵合金復蓋時，轉動開關42，中斷來自電源40的電流，並撤去作用力「F」。圍住球的鉻鎳鐵合金流形成一冶金結頭，它近似等於球36的總表面積的一半。從圖11可清晰地看出，球36位於電極80的端12的凸出部的軸向中心。對於有些用途，球36可以突出於端12的凸出部，但是，對於大多數一般的用途，都希望增大保護凸出部的面積。因此，將電極80送到一工作檯，在此施加一壓力以如剖視圖12和端視圖13所示形式將球36壓平。
從圖12可以看出，約500磅(226.8公斤)壓平鉑球的力使環44折回到其自身上。圓盤46復蓋近似於端12的凸出部直徑的一半，而圓頂部45完全填滿沿中心電極80的軸向中心形成的凹部。
圖15是一帶有一壓平的鉑圓盤46的實際中心線材電極80的剖視示意圖。圓盤46的直徑延伸超過了凸出部48的邊緣以保護環44。雖然鉻鎳鐵合金環44被壓縮到端12中，鉑圓盤46在凸出部上形成一均勻表面，以供電流的通過。鉑圓盤邊緣47的厚度經測量為0.002-0.006英寸，而圓盤的直徑為0.05-0.06英寸。這樣，很明顯一鉑球能提供近似於兩倍於其原始直徑的表面復蓋區。
此後，中心電極線材80裝於一陶瓷絕緣子30中，並固定於一金屬外殼60，如圖17所示。
如圖14所示的對側線材電極62的加工，遵循將一鉑球焊到一鉻鎳鐵合金件上的同樣的工藝。側線材62焊到金屬外殼60上，然後，在其中心放上一鉑球36，接著通上電流並同時施加一壓力於鉑球上。產生的熱能使鉻鎳鐵合金環64流到球36的四周，形成一冶金結頭。當至少一半的球體36被鉻鎳鐵合金復蓋時，中斷電流，撤走壓力。此後，使一模子與球體36接觸，將球體36壓平，以形成圓盤72和填滿凹部52的圓頂部。此後，將中心線材80放到一位於金屬外殼60中的陶瓷件30中，以完成火花塞82的加工。
為了評價火花塞82，對一如圖16所示的普通火花塞32進行750小時的工作試驗，以模擬發動機參數。試驗前，按照發動機技術要求設定好側電極60的表面160與電極20端部上的凸出部12之間的間隙「g」。測試階段結束時，燃燒氣體和運行將側線材61燒蝕成如虛線59所示的情況，而中心線材燒蝕成如虛線21所示。從圖中可以看到，間隙從「g」變為「gx」。對於大多數工作情況，火花隙的這種變化是不能令人滿意的，因為發動機不能通過操作標準。
圖17所示的火花塞17在與火花塞32相同操作條件下進行試驗。由於鉑球不受燃燒氣體的影響，在測試階段結束時，側線材62被燒蝕到虛線84所示的情況而中心線材80被燒蝕到虛線86所示的情況，故圓盤表面46與72之間的間隙「g」的變化幾乎測不出來。這樣，按本發明公開的工藝製造的火花塞82，其使用壽命基本上與車輛的相等。
權利要求
1.一種製造火花塞用電極的方法，包括以下步驟從一鉻鎳鐵合金線材上割下一段以形成一有一第一端和第二端的圓柱體坯件；置所述圓柱體坯件於一第一模中，所述第一模在所述第一端上擠壓成型出一凸出部；置所述圓柱體坯件於一第二模中，所述第二模在所述圓柱體坯件中形成一從所述第二端向所述第一端延伸的、擠壓成型的杯狀腔；將一銅芯插於所述杯狀腔中；將所述圓柱體坯件和銅芯置於一模中，以將其擠壓到一為最終中心線材所需的、在所述第一端和所述第二端之間的預定長度；確定出所述凸出部的軸中心的位置；將一用鉑做成的第一鉑球置於一夾具中；將所述凸出部的軸(向)中心置於所述第一鉑球的上方；施加一壓力於所述中心線材上，同時在中心線材和第一鉑球上通上電流，所述電流在軸(向)中心和第一鉑球的連接處產生熱能，所述熱能使連接處的凸出部的鉻鎳鐵合金熔融並流在所述第一鉑球的四周；當近似百分之五十的所述第一鉑球被鉻鎳鐵合金所復蓋時，切斷電流，撤走壓力；和將所述中心線材送至一模，在此模中，所述第一鉑球被整平成一第一圓盤，它有一與所述中心電極凸出部冶金連結的圓頂部。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，重力使熔融的鉻鎳鐵合金均勻流在第一鉑球的四周。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，加於所述中心電極上的壓力在9-25磅之間。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，施加以產生熱能的電流在530-1500安培之間。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，鉑球被熔融的鉻鎳鐵合金復蓋所需的時間約0.5秒。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述鉑球的直徑約0.030英寸。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，在所述凸出部的軸(向)中心有凹部，所述凹部的深度與第一鉑球直徑的比約1∶4。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括從原材料上割下一第二段鉻鎳鐵合金線材;將所述第二段鉻鎳鐵合金線材置於一模中以在所述鉻鎳鐵合金線材的側面形成一第一表面;確定出所述第一表面的中心位置;將一用鉑做成的第二球置於一夾具中;將所述第一表面的所述中心置於所述第二球的上方;將一壓力及電流同時旋加於所述第二線材和第二鉑球上，所述電流在所述第一表面和第二球的連接處形成熱能以使絡鎳鐵合金流在第二球的四周;和當近似百分之五十的第二球被鉻鎳鐵合金所復蓋時，切斷電流，撤走壓力。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，還包括下述步驟將所述第二線材送至一模，在此模中，所述第二鉑球被整平成一第二圓盤，它有一與所述第二線材的所述第一表面冶金連結的圓頂部，從而完成一側電極。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，還包括下述步驟將所述中心電極置於一在一金屬外殼中的陶瓷夾具中;將所述第二線材連接於所述金屬外殼上;和將所述第一、二圓盤相互對準以在所述中心電極的凸出部與所述側電極的第一表面之間形成固定的間隙。
全文摘要
一種製造火花塞用電極的方法，中心電極和側線材的中心上做有標記。第一鉑球置於一夾具中，中心電極凸出部中心與第一球對準。在中心電極上同時加以壓力和電流。產生的熱能使中心電極鉻鎳鐵合金熔融並流在鉑球的四周。側電極與金屬外殼相連，第二鉑球與側電極冶金結合。中心電極置於陶瓷絕緣子中並固定在金屬外殼中。第一、二鉑球的表面之間的間隙「g」在火花塞使用期內保持不變，因為第一、二鉑球基本上不受發動機燃燒氣的影響。
文檔編號H01T21/02GK1039933SQ8910368
公開日1990年2月21日 申請日期1989年5月22日 優先權日1988年6月6日
發明者戴維·約瑟夫·穆爾 申請人:阿萊德訊號公司